物理化学课程思政教学的人文性

彭继明 蔡业政 黄有国 胡思江

摘  要：全面推进课程思政建设是落实立德树人根本任务的战略举措。物理化学是化学化工等理工科专业的基础必修课程。该文结合物理化学课程教学在人文性面临的难点，秉持将知识传授与思政元素有机融合的理念，以膨胀功教学为例，深度挖掘提炼该知识内容与经典唐诗的契合点，阐述润物无声式的思政教学设计思路，以期为物理化学教师提供以“人文性”的课程思政教学设计实例。

关键词：物理化学；课程思政；人文性；膨胀功；教学设计

中图分类号：G641      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）32-0173-05

Abstract： Comprehensive framework for promoting ideological and political education is a strategic initiative to achieve the fundamental task of moral education. Physical Chemistry is an introductory required course for students majoring in science and engineering， such as chemistry and chemical engineering. Integrating science knowledge learning with ideological and political education is challenging in physical chemistry teaching. To organically fusing with these elements， this paper demonstrates a design concept of course ideology and politics in the form of moistening everything silently. Taking the teaching of "expansion work" as an example， this paper provides an excellent model in humanistic education of curriculum ideology and politics in Physical Chemistry.

Keywords： Physical Chemistry; curriculum ideology and politics; humanistic education; expansion work； instructional design

基金項目：国家自然科学基金项目“杯醌成键涂层富锂锰基正极材料的制备及其构效关系的研究”（22169004）；广西研究生教育创新计划项目“一流学科建设驱动化学类研究生‘五位一体’培养模式的探索”（JGY2022031）、“OBE理念下化工专业研究生‘五个一’人才培养模式的探索与实践”（JGY2021022）

第一作者简介：彭继明（1984-），女，汉族，湖北红安人，博士，讲师。研究方向为材料电化学。

*通信作者：胡思江（1984-），男，汉族，湖北麻城人，博士，副教授，硕士研究生导师。研究方向为新能源材料与器件及其相关基础科学问题。

2020年教育部《高等学校课程思政建设指导纲要》（以下简称《纲要》）中指出，把思想政治教育贯穿人才培养体系，全面推进高校课程思政建设，发挥好每门课程的育人作用，提高高校人才培养质量。《纲要》明确了课程思政建设目标要求和内容重点，提出加强中华优秀传统文化教育。大力弘扬以爱国主义为核心的民族精神和以改革创新为核心的时代精神，教育引导学生传承中华文脉，富有中国心、饱含中国情、充满中国味。因此，结合物理化学课程教学目标，深入挖掘中华优秀传统文化元素是实现课程思政建设目标的重要立足点。

张树永[1]系统论述了物理化学课程思政建设的目标与实现途径，强调必须防止出现强力灌输、生拉硬拽、牵强附会等问题。王旭珍等[2]提出通过科学发展史、中国物理化学家、优秀传统文化、学科交叉与创新和身边的科学家等方面开展课程思政教学。孙艳辉等[3]从学科发展史、科学家简介、经典理论和方法、学科交叉、科学发展前沿及物理化学在生产生活中的应用6个方面梳理物理化学课程蕴含的思政教育要点。郭畅等[4]提出构建“1421模式”提升课程育人实效。左晶等[5]探讨了物理化学课程思政教学内容组成构建、课堂思政教学过程的把控要素。这些探讨与实践为物理化学课程思政建设提供借鉴。但物理化学教师在实践过程中仍存在思政元素和课程知识联系不紧密的问题。尤其在中华优秀传统文化教育方面，可借鉴的课程思政教学设计实例较少。

物理化学学科萌芽于18世纪中叶，如今已成为化学、材料学、物理学等学科的前沿研究热点和相邻学科的交叉点。纵观物理化学的发展史，不难发现很多理论知识是由欧洲科学家提出，中国元素占比很少。如何结合课程知识融入中国元素，弘扬中华优秀传统文化，是课程思政教学中的难点。为此，本文秉持将知识传授与思政元素有机融合的理念，阐述了润物无声式的思政教学设计思路。并以膨胀功知识点的教学，展示了膨胀功与经典唐诗有机融合实现中华优秀传统文化教育的实例。

一  教学内容分析

热力学第一定律（dU=δQ+δW）的一个重要应用就是计算系统和环境之间的热交换。热力学能是系统的状态函数，比较容易从系统的其他性质计算出来。确定了功和热力学能的变化量，对封闭系统任何过程，就可以计算相对不好直接测量的热。功包括机械功和非机械功。在经典热力学中，一般只考虑机械功。对于气态封闭系统，机械功就是体积变化所引起的功，即膨胀功（部分教材用体积功表示）。功与变化的具体途径有关。因此，在功的计算中必须联系具体的过程。

本节课以南京大学《物理化学第六版（上册）》[6]第二章“准静态过程与可逆过程”为教学内容，进行膨胀功的教学。课程的主要内容包括：膨胀功的定义；膨胀功与过程；结合热力学第一定律讨论膨胀功的应用等。

二  教学设计理念

本节课以定义—过程—应用的知识线开展教学，以设问—思考—回应的思政线为导向，将思政教育有机融入到教学环节中。

三  教学目标

依据《高等学校化学类专业物理化学相关教学内容与教学要求建议（2020版）》[7]，分为知识与能力目标、过程与方法目标和课程思政目标。

（一）  知识与能力目标

1）理解功的本质。

2）掌握膨胀功的求算。

3）理解可逆过程的特点。

（二）  过程与方法目标

1）通过膨胀功的推算，学习科学探究的方法，培养逻辑思维能力。

2）通过比较不同状态下膨胀功求算公式的区别，建立知识相关联的学习方法，掌握本专业研究的思路和方法。

3）通过小组讨论和交流，提升语言表达能力，发展团队合作意识。

（三）  课程思政目标

1）通过学习膨胀功的求算及其与过程的关系，学习马克思主义唯物辩证的对立与统一思想，提高学生正确认识问题、分析问题和解决问题的能力。

2）通过学习膨胀功在经典唐诗中的解释、西气东输等工业生产中的应用，增加课程的人文性，引导学生灵活运用所学知识解决工程问题，培养学生探索未知、追求真理、勇攀科学高峰的责任感和使命感。

四  教学环节

膨胀功的教学包括5个环节。教师过程设问导入新课，引导学生通过温度差异的现象探究其背后的热力学本质，举例并讲解膨胀功在不同过程下的计算方法，最后通过课堂练习，对所学知识点进行综合应用和巩固。整个教学过程中，采用讲授法、讨论法、练习法，通过生活实例引导学生思考，通过完成各种学习情境，使学生掌握本次课程的重点和难点。表1展示了以知识线和思政线并轨的教学环节。

五  教学过程

（一）  导入新课：唐代白居易《大林寺桃花》

教师引导，学生思考：展示图1，重温唐代白居易《大林寺桃花》诗句，为什么浔阳城的桃花已是落英缤纷，庐山大林寺的桃花卻是桃之夭夭？温差是如何产生的？

设计意图：以古诗为导入口，多学科交融学习，弘扬中华优秀传统文化，坚定文化自信。在提升学生人文素养的同时结合提问将学生引入本次课程所学知识。

（二）  构建概念：功的定义与一般表达式

1）请同学们复习回顾功和热传输能量的区别。

学生讨论总结：热是大量质点以无序运动方式而传递的能量；功是大量质点以有序运动方式而传递的能量（图2）[8]。

2）请同学们结合机械功的概念，分析气体膨胀的做功过程。功分为膨胀功和非膨胀功。具体教学内容参考南京大学《物理化学第六版（上册）》[6]第二章“准静态过程与可逆过程”，可得

广义的功：δW=-|F|dz。 （1）

若用pex表示外压，则|F|=pexA。

因此，δW=-pexAdz。

因为dV=Adz，

所以δW=-pexdV。

设计意图：通过知识回顾让学生掌握功的本质（功不是状态函数，与变化的途径有关）。从机械功的概念出发，让学生理解功的概念和定义式。

（三）  剖析本质：不同过程功的计算

1）请同学们思考有哪些过程？自由膨胀、等外压膨胀、多次等外压膨胀和可逆膨胀四个过程各自条件有何不同。尝试推导这些条件下功的计算式。

2）教师讲解：可逆过程与绝热过程。

系统从状态1变到状态2之后，如果能使系统和环境都恢复到原来的状态而未留下任何永久性的变化，则该过程称为热力学可逆过程。

绝热过程：ΔU=W。

设计意图：通过对过程的思考，理解功与过程的关系。

3）自由膨胀。因为pex=0，δW1=-pexAdz=0。

4）一次等外压膨胀（图3），则

5）多次等外压膨胀（图4）。克服外压为p′ex，体积从V1膨胀到V′；克服外压为p′ex，体积从V′膨胀到V2，则

W3=-p′ex（V′-V1）-pex（V2-V′）。（4）

外压差距越小，膨胀次数越多，做的功也越多。

6）可逆膨胀（图5）。外压始终比内压小一个无穷小的值，每一步都接近于平衡态。所做的功为

如果是理想气体，则

7）学生小组讨论：请同学们比较这些过程做的功的多少，可以得出什么结论？

学习小组B：可逆膨胀过程阴影部分面积最大，做的功最多。

教师评价、拓展：回答正确。可逆膨胀，系统对环境做最大功。

设计意图：通过从四个相互关联、又有区别的过程膨胀功的计算，培养学生逻辑思维能力，培植对立统一的辩证唯物主义思想。

互动练习：有一高压钢筒，打开活塞后气体喷出筒外，当筒内压力与筒外压力相等时关闭活塞，此时筒内温度将（    ）。

（A）升高  （B）降低  （C）不变

学生小组讨论：请同学们完成练习。

教师评价、拓展：应用热力学第一定律（ΔU=Q+W），压缩空气冲出钢筒时，筒内的气体对冲出的气体做功。由于冲出的速度很快，筒内气体来不及从环境吸热，相当于是个绝热过程，所以筒内气体的温度会下降。

设计意图：通过互动练习，培养学生运用所学知识分析问题、解决问题的能力。

（四）  回应设问与应用拓展

学生小组讨论：“人间四月芳菲尽，山寺桃花始盛开”的物理化学秘密。

教师评价、拓展：在白天的时候，艳阳高照，地表快速升温。与此同时，地表空气团受热发生膨胀导致密度降低，向上运动（图6）。由于空气的导热性能较差，气团上升过程较快，该过程可近似为绝热过程。海拔越高，压强越低，气团不断膨胀对环境做功。根据热力学第一定律，热力学能减小，温度降低。庐山海拔为1 100 m左右，“人间”（浔阳城，今九江市区）海拔在20 m左右。一般而言，海拔相差1 000 m，温度相差7 ℃左右[9]。因此，庐山上的桃花要比浔阳城的桃花晚开一个月左右。

设计意图：通过对唐诗中温差产生原因的分析，培养学生运用所学知识分析问题、解决问题的能力；将枯燥的理论计算与有趣的唐诗联系起来，增加课堂的趣味性和人文性，增强中华优秀传统文化教育。

学生小组讨论：请同学们思考并分析，如果是环境对系统做功，不同过程的膨胀功又怎样计算呢？西气东输长距离输运压缩气体应该怎样使用压缩泵更节能？

教师评价、拓展：功与变化的途径有关。不同压缩过程膨胀功的计算与膨胀过程相同（图7）。可逆压缩，环境对系统做最小功。因此，多个泵压缩更节能。

设计意图：通过比较膨胀和压缩过程的做功情况，学习马克思主义唯物辩证的对立与统一思想；通过西气东输中压缩过程如何节能的分析，强化学生工程伦理教育，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。

（五）  总结及任务

1）请同学们对本节课的内容进行小结。学生C：在本节课中，我们学习了膨胀功的定义、计算及其应用、可逆过程。同时也明白了生产生活中一些现象的原理，体会到中华优秀传统文化的魅力。作为新时代大学生，我们应树立马克思主义的世界观、人生观、价值观，为实现中华民族伟大复兴汇聚源源不断的青春力量。

2）布置作业。还有哪些经典古诗词中的现象可以用膨胀功解释？生产生活应用还有哪些膨胀功应用的相关实例？哪些最新科技创新应用了膨胀功的原理？请同学们分析背后的原因，撰写一篇论文。

设计意图：通过梳理本节课所学的膨胀功的重难点，构建知识网络图。同时进行思政引导，强化理论知识和思政教育效果。

通过学生拓展膨胀功的知识，感受物理化学原理在中华优秀传统文化、日常生活和科技创新中的应用，内化思政教育。

六  结束语

以膨胀功为例的物理化学课程思政教学设计，将中华优秀传统文化、工程生产实例等思政元素的思政线与现象—本质—规律的知识线有机融合，充分发挥物理化学课程的育人功能，让枯燥的理論学习转化为生动有趣的知识盛宴。在教学过程中以学生发展为中心，做到问题驱动、理实一体、学练结合。

参考文献：

[1] 张树永.高校化学类专业课程思政建设目标与实现途径刍议——以物理化学课程教学为例[J].大学化学，2019，34（11）：4-9.

[2] 王旭珍，王新平，王新葵，等.大道至简，润物无声——物理化学课程思政的实践[J].大学化学，2019，34（11）：77-81.

[3] 孙艳辉，南俊民，马国正，等.物理化学课程思政教学设计与实践[J].大学化学，2021，36（3）：213-218.

[4] 郭畅，方晖，白国梁，等.构建“1421模式”提升课程育人实效——以物理化学课程群建设为例[J].大学化学，2022，37（10）：131-138.

[5] 左晶，刘向荣，梁耀东.历史思维下物理化学课程思政的思考[J].高教学刊，2022，8（21）：180-184.

[6] 傅献彩，候文华.物理化学上册[M].6版.北京：高等教育出版社，2022.

[7] 张树永，李金林，范楼珍，等.高等学校化学类专业物理化学相关教学内容与教学要求建议（2020版）[J].大学化学，2021，36（1）：1-10.

[8] ATKINS P， PAULA J D， KEELER J. Atkins' Physical Chemistry[M].U.S.A： Oxford University Press， 2018：36.

[9] 冯学民，蔡德利.土壤温度与气温及纬度和海拔关系的研究[J].土壤学报，2004，41（3）：489-491.